那 靜

(廣東省有色金屬地質(zhì)局九三三隊(duì)， 廣東 肇慶 526060)

迪慶藏族自治州位于云南省西北部，滇、藏、川三大省份的交界處，區(qū)域的平均海拔為3 380 m，云南省迪慶藏族自治州共轄3個(gè)縣級(jí)行政區(qū)。地質(zhì)健康與環(huán)境穩(wěn)定是經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的基礎(chǔ)保障，需要對(duì)迪慶藏族自治州北部進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)工作，并科學(xué)地進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警和防護(hù)[1-2]。區(qū)域的礦產(chǎn)資源豐富，礦區(qū)山高坡陡，溝谷縱橫分布，同時(shí)伴隨地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，造成一定程度的巖層破碎，在松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量豐富、植被條件較差的環(huán)境背景條件下，容易引發(fā)山區(qū)溝谷泥石流、山體滑坡等自然災(zāi)害[3]，災(zāi)害威脅到了人類生產(chǎn)生活、礦區(qū)安全、路網(wǎng)擴(kuò)建和社會(huì)發(fā)展進(jìn)步，對(duì)于云南省迪慶藏族自治州北部的地表安全監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。

過(guò)往對(duì)于區(qū)域大范圍的監(jiān)測(cè)技術(shù)主要以傳統(tǒng)點(diǎn)位監(jiān)測(cè)技術(shù)為主[3-5]，受限于不穩(wěn)定的天氣環(huán)境和復(fù)雜的空間環(huán)境，同時(shí)，也要投入繁重的人力勞動(dòng)資源。近年來(lái)，隨著合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)的成熟和雷達(dá)衛(wèi)星高分辨率SAR數(shù)據(jù)商業(yè)化的發(fā)展，遙感雷達(dá)衛(wèi)星可以對(duì)地進(jìn)行全天時(shí)、全天候的觀測(cè)成像[6-9]，通過(guò)對(duì)地表觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，獲取地表形變信息，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大范圍地表監(jiān)測(cè)研究和預(yù)警抗災(zāi)工作中[7-10]。 本文通過(guò)小基線集干涉測(cè)量 (Small Baseline Subset, SBAS)技術(shù)處理37景雷達(dá)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，將云南省迪慶藏族自治州北部作為研究目標(biāo)對(duì)象，獲取范圍地面的地表形變信息?；趨^(qū)域的地質(zhì)資料和衛(wèi)星影像對(duì)云南省迪慶藏族自治州北部地表形變進(jìn)行分析推斷，為地表形態(tài)安全、自然環(huán)境保護(hù)和區(qū)域發(fā)展建設(shè)做好監(jiān)測(cè)保障工作。

1 研究數(shù)據(jù)

1.1 區(qū)域概況

迪慶藏族自治州位于云南省西北部，滇、藏、川三大省份的交界處，青藏高原伸延部分南北縱向排列的橫斷山脈，金沙江、瀾滄江、怒江三江并流國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)腹地，瀾滄江和金沙江自北向南貫穿全境。云南省北部礦產(chǎn)資源豐富，礦區(qū)山高坡陡，溝谷縱橫分布，同時(shí)伴隨地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，造成一定程度的巖層破碎，在松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量豐富和植被條件較差的條件下，多期性的山區(qū)溝谷泥石流極易發(fā)生。進(jìn)入雨季和山洪暴發(fā)期間，維西縣、德欽縣瀾滄江沿線有一定幾率發(fā)生大規(guī)模泥石流并且造成嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。隨著迪慶藏族自治州北部的人類活動(dòng)、工商業(yè)生產(chǎn)日益頻繁，泥石流暴發(fā)的頻率、規(guī)模越來(lái)越大，災(zāi)害碎石越來(lái)越嚴(yán)重，致使區(qū)域地質(zhì)環(huán)境造成的負(fù)面影響不斷擴(kuò)大，伴隨著泥石流溝谷水土流失不斷加劇[11-13]。

1.2 SAR數(shù)據(jù)

研究采用干涉寬幅(IW)模式的Sentinel-1A(S1A)雷達(dá)衛(wèi)星成像的影像，連續(xù)提供C波段的雷達(dá)衛(wèi)星SAR影像數(shù)據(jù)。C-SAR傳感器優(yōu)勢(shì)在于其適用于任何天氣和氣候條件，穿透雨云，實(shí)現(xiàn)全天候?qū)Φ厍虮砻孢M(jìn)行成像，監(jiān)測(cè)地表精細(xì)形變(mm級(jí))[14-15]，包括干涉寬幅(IW)、條帶(SM)、超寬幅(EW)以及波(WV)這4種不同類型的觀測(cè)模式，成像區(qū)域廣闊，地面分辨率高，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)覆蓋范圍充足。

針對(duì)區(qū)域山峽山川密布、鄉(xiāng)縣分布坐落規(guī)律、雪山群和大型淡水湖泊分布狀況，研究選取了迪慶藏族自治州北部區(qū)域獲取大范圍雷達(dá)遙感監(jiān)測(cè)影像，對(duì)德欽縣北部和香格里拉縣北部進(jìn)行了地表形變長(zhǎng)周期監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)總面積約為17 830 km2。為保證綜合研究效率和針對(duì)云南省北方區(qū)域監(jiān)測(cè)覆蓋的時(shí)間跨度范圍，研究所采用的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)每隔12 d或24 d獲取一景S1A衛(wèi)星影像，共計(jì)37景影像，干涉寬幅(IW)模式的數(shù)據(jù)幅寬為250 km，地面分辨率為5 m×20 m?？傊芷跒?018年1月12日至2020年2月19日，監(jiān)測(cè)范圍如圖1所示。

圖1 迪慶藏族自治州北部監(jiān)測(cè)衛(wèi)星影像覆蓋范圍

1.3 相關(guān)參考數(shù)據(jù)

針對(duì)Sentinel-1A衛(wèi)星獲得的影像，進(jìn)行干涉處理前，需要精密定軌星歷數(shù)據(jù)(Precise Orbit Determination,POD )和參考數(shù)字高程模型(DEM)。

精密軌道數(shù)據(jù)信息是InSAR數(shù)據(jù)處理中非常重要的信息,從最初的圖像配準(zhǔn)到最后的形變圖像生成都有著重要的作用。本研究在干涉處理工作中，選擇了AUX_POEORB精密星歷軌道參數(shù)進(jìn)行匹配修正。含有誤差的軌道信息造成基線誤差以殘差條紋的形式存在于實(shí)驗(yàn)干涉圖。因此，對(duì)軌道信息進(jìn)行修正需要用到衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)，可有效去除因軌道誤差引起的系統(tǒng)性誤差。

研究選用了由PRISM(全色立體測(cè)繪儀)傳感器采集的35 km×35 km光學(xué)影像所生產(chǎn)的高精度數(shù)字地表模型作為數(shù)字高程模型(DEM)，此傳感器搭載于JAXA(日本宇宙航空開發(fā)機(jī)構(gòu))聯(lián)合美國(guó)RESTEC公司，采集自日本發(fā)射的ALOS衛(wèi)星，DEM的平面以及高程精度均達(dá)到5 m，其數(shù)據(jù)產(chǎn)品覆蓋范圍包含世界全部陸地范圍[9]。由于AW3D產(chǎn)品采用光學(xué)影像使用立體像對(duì)反演地表高程，解決使用InSAR干涉技術(shù)進(jìn)行高程反演的時(shí)候由于干涉圖失相干所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失以及空洞問(wèn)題，在沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中，需要進(jìn)行去平地效應(yīng)和地形相位的估計(jì)以及去除，所以軌道誤差的估計(jì)以及去除等操作將采用DEM。本次針對(duì)迪慶區(qū)的地表形變監(jiān)測(cè)研究采集的DEM數(shù)據(jù)范圍覆蓋區(qū)域完整。

2 技術(shù)與流程

SBAS方法是由Berlendino等學(xué)者提出的反演方法，這種方法是基于D-InSAR 技術(shù)，對(duì)InSAR監(jiān)測(cè)獲得的地表形變速率時(shí)間序列反演方法。SBAS的主要處理步驟如下：

1)組合干涉對(duì)。本文實(shí)驗(yàn)通過(guò)時(shí)間和垂直基線閾值的設(shè)置，對(duì)干涉影像對(duì)數(shù)量進(jìn)行控制，以提高結(jié)果的精確度和可靠性。將干涉對(duì)按照時(shí)間、空間基線設(shè)置閾值內(nèi)進(jìn)行組合，生成干涉對(duì)影像，圖2為區(qū)域監(jiān)測(cè)干涉對(duì)的時(shí)空基線圖。

圖2 干涉對(duì)時(shí)空基線圖

2)干涉工作流。干涉工作流是SBAS技術(shù)處理干涉對(duì)過(guò)程中一項(xiàng)重要的工作流程。研究選取時(shí)間序列SAR影像中的一幅影像作為公共主影像(Master Image)，其余為從影像(Slave Images)。對(duì)組合的干涉影像對(duì)進(jìn)行影像配準(zhǔn)、相干圖生成、濾波以及相位解纏等處理工作。

3)軌道精煉調(diào)整與重新去平地效應(yīng)。通過(guò)軌道精煉調(diào)整與重新去平地效應(yīng)，對(duì)上一步干涉工作流的結(jié)果進(jìn)行估計(jì)和消除殘余軌道相位。

4)SBAS反演。SBAS第一步反演工作，將進(jìn)行初級(jí)的形變速率和大氣效應(yīng)的估算，并且優(yōu)化干涉對(duì)的解纏結(jié)果精度，提高干涉測(cè)量的效果。在初步反演的基礎(chǔ)上，進(jìn)行SBAS第二步反演是進(jìn)行改正、精準(zhǔn)計(jì)算形變時(shí)間序列中不同階段的形變速率。隨后進(jìn)行干涉對(duì)的低通濾波工作，并且去除大氣相位屏，進(jìn)一步提高干涉測(cè)量的結(jié)果精度。

5)地理編碼。SBAS技術(shù)獲得形變場(chǎng)后會(huì)進(jìn)行地理編碼工作，其步驟是將形變速率結(jié)果投影至目標(biāo)定義的方向上，將該地區(qū)時(shí)間序列的沉降速率圖和沉降時(shí)間序列結(jié)果匹配坐標(biāo)系呈現(xiàn)出來(lái)。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 區(qū)域整體形變情況分析

研究共采用37景Sentinel-1A雷達(dá)衛(wèi)星SAR影像進(jìn)行SBAS數(shù)據(jù)處理，處理的時(shí)間范圍從2018年1月12日至2020年2月19日,共計(jì)26個(gè)月的監(jiān)測(cè)周期。通過(guò)SBAS反演獲取了研究區(qū)域形變速度場(chǎng)，并分析獲取平均形變速率結(jié)果。由區(qū)域形變量示意圖3可以看出，區(qū)域平均形變量處于-8～8 mm內(nèi)，整體的地表形變情況處于穩(wěn)定狀態(tài)。在局部地區(qū)發(fā)現(xiàn)幾處明顯的下沉現(xiàn)象，最大沉降量達(dá)106 mm，最大抬升量為81 mm。

圖3 迪慶藏族自治州北部平均形變量

在研究中，發(fā)現(xiàn)的重點(diǎn)明顯形變區(qū)域位置包括鄉(xiāng)縣居民區(qū)、重要道路橋梁、山脈區(qū)域、溝谷陡坡、巖壁石山等等，持續(xù)地表沉降覆蓋的區(qū)域?qū)Νh(huán)境發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)、建構(gòu)筑物安全、人民生活等方面會(huì)造成負(fù)面的影響。區(qū)域的總體概況中，人類活動(dòng)區(qū)域和大部分山脈區(qū)域較為穩(wěn)定，較多的沉降發(fā)生區(qū)域集中在區(qū)域中部和東側(cè)的溝谷密集區(qū)域。根據(jù)迪慶藏族自治州北部地理區(qū)位因素，在研究中選取多個(gè)觀測(cè)穩(wěn)定的區(qū)域點(diǎn)位和多個(gè)發(fā)生明顯沉降的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。其中重點(diǎn)山區(qū)監(jiān)測(cè)明顯形變的區(qū)域(Deformation Area)包括兩處區(qū)域、觀測(cè)穩(wěn)定的區(qū)域(Stable Area)一處區(qū)域，以及重要國(guó)道沿線監(jiān)測(cè)一處區(qū)域，詳見(jiàn)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域示意圖4，并根據(jù)各個(gè)區(qū)域的綜合條件設(shè)定了采樣點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間序列分析。

圖4 迪慶藏族自治州北部重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域

3.2 重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域分析

1)香格里拉東旺鄉(xiāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域。通過(guò)監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)沉降區(qū)域1的云南省與四川省交界處附近發(fā)生較為嚴(yán)重的地表形變現(xiàn)象。此區(qū)域位于云南省香格里拉東旺鄉(xiāng)與四川省甘孜藏族自治州鄉(xiāng)城縣交界處附近，地處橫斷山脈斷層地帶。據(jù)土地資料查閱，區(qū)域附近雪峰林立，河谷縱橫。沉降區(qū)域集中在山脈陡坡處。發(fā)生嚴(yán)重沉降3 km范圍內(nèi)包含S217重要道路。此處平均最大沉降量為-106 mm。由區(qū)域遙感衛(wèi)星影像沉降區(qū)域圖5可見(jiàn)，此區(qū)域內(nèi)坡體陡峭，極易發(fā)生滑坡、落石等災(zāi)害。由區(qū)域內(nèi)選取的3個(gè)采樣點(diǎn)#DQ01、#DQ02、#DQ03的時(shí)序分析圖6可見(jiàn)，最大累計(jì)沉降量分別可達(dá)到-130 mm、-121 mm、-118 mm，沉降速率快，呈現(xiàn)持續(xù)沉降的趨勢(shì)，其在迪慶州北部的全部觀測(cè)區(qū)域內(nèi)為沉降形變最嚴(yán)重的采樣點(diǎn)位。應(yīng)予以關(guān)注和持續(xù)監(jiān)測(cè)，以防止地表沉降災(zāi)害對(duì)生態(tài)環(huán)境可能帶來(lái)的影響和傷害。

圖5 香格里拉東旺鄉(xiāng)沉降區(qū)域圖

圖6 香格里拉東旺鄉(xiāng)區(qū)域采樣點(diǎn)時(shí)間序列圖

2)德欽縣壓寨雪山監(jiān)測(cè)區(qū)域。在德欽縣壓寨雪山監(jiān)測(cè)區(qū)域附近的重點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)區(qū)域2的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)范圍較大的地表形變現(xiàn)象。由Google Earth衛(wèi)星數(shù)據(jù)影像針對(duì)滑坡的特征隨時(shí)間變化的特性，解譯發(fā)現(xiàn)山區(qū)中存在滑坡后壁特征和滑坡體特征。根據(jù)區(qū)域位置和地理海拔分析，由冰雪消融和不穩(wěn)定山體碎石影響導(dǎo)致發(fā)生滑坡概率極大。區(qū)域內(nèi)沉降范圍較大，沉降量不均勻，沉降速率相對(duì)較快，平均累計(jì)沉降量達(dá)-73～-90 mm。伴隨周圍區(qū)域地表抬升，錯(cuò)位變化可能導(dǎo)致存在斷層、裂縫等嚴(yán)重的地形變化。在沉降嚴(yán)重區(qū)域選取采樣點(diǎn)，由沉降區(qū)域范圍圖7中山體形變處分別選擇了5點(diǎn)#DQ04、#DQ05、#DQ06、#DQ07、#DQ08進(jìn)行時(shí)序監(jiān)測(cè)。通過(guò)時(shí)間序列分析圖9，采樣點(diǎn)#DQ04、#DQ06、#DQ07在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)最大累計(jì)沉降量分別為-75 mm、-72 mm、-129 mm。#DQ05、#DQ08采樣點(diǎn)則位于藍(lán)色累計(jì)形變區(qū)域內(nèi)，其形變較為平緩，受到地表變化影響較小。

圖7 德欽縣壓寨雪山區(qū)域沉降范圍圖

圖8 德欽縣壓寨雪山區(qū)域衛(wèi)星影像圖

圖9 德欽縣壓寨雪山區(qū)域采樣點(diǎn)時(shí)間序列圖

根據(jù)影像圖8分析，區(qū)域內(nèi)植被覆蓋稀少，巖石長(zhǎng)期裸露，地勢(shì)陡峭，松散碎屑堆積。此類堆積體在雪山消融時(shí)存在易滑、塌陷的災(zāi)害隱患。采樣點(diǎn)#DQ04、#DQ07兩處的沉降區(qū)域在下沉過(guò)程中受到擾動(dòng)因素干擾，具體擾動(dòng)因素需進(jìn)一步調(diào)查和分析。

3)德欽縣縣城中心居民區(qū)監(jiān)測(cè)區(qū)域。針對(duì)迪慶州北部的地表形變監(jiān)測(cè)，除了重點(diǎn)沉降區(qū)域，研究還對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域進(jìn)行研究分析。在德欽縣縣城中心居民區(qū)附近，由InSAR干涉測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果由形變范圍圖10可見(jiàn)，居民區(qū)域以及其附近道路區(qū)域范圍內(nèi)較為穩(wěn)定。在縣城中心區(qū)域選取采樣點(diǎn)#DQ09、#DQ10進(jìn)行時(shí)間序列分析，由時(shí)序圖11可見(jiàn)，總體的地表形變量不超過(guò)±7 mm。此穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)坐落大量的生活居民區(qū)和城市道路，同時(shí)也緊鄰重要交通路網(wǎng)。應(yīng)持續(xù)對(duì)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，以保障區(qū)域地質(zhì)“健康”與穩(wěn)定，排查安全隱患。

圖10 德欽縣縣城中心區(qū)域地表形變范圍圖

圖11 德欽縣縣城中心區(qū)域采樣點(diǎn)時(shí)間序列圖

4)214國(guó)道云南德欽段監(jiān)測(cè)區(qū)域。214國(guó)道云南德欽段沿線地形復(fù)雜，氣候高寒，被人們視為險(xiǎn)道畏途。由InSAR干涉測(cè)量技術(shù)對(duì)云南德欽其中一段倚靠山區(qū)的道路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果由形變范圍圖12可見(jiàn)，道路區(qū)域范圍內(nèi)較為穩(wěn)定，小部分地方呈現(xiàn)形變影響。在區(qū)域中選取采樣點(diǎn)J#DQ11、#DQ12進(jìn)行時(shí)間序列分析，由時(shí)序圖13可見(jiàn)，總體的地表形變量不超過(guò)±5 mm。道路路面較為穩(wěn)定，無(wú)明顯形變影響。應(yīng)持續(xù)對(duì)道路進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，排查隱患，保障道路運(yùn)行安全。

圖12 214國(guó)道云南德欽段區(qū)域地表形變范圍圖

圖13 214國(guó)道云南德欽段區(qū)域采樣點(diǎn)時(shí)間序列圖

4 結(jié) 論

本文將SBAS技術(shù)運(yùn)用于迪慶藏族自治州北部的地表形變監(jiān)測(cè)工作中，獲取研究區(qū)域的地表形變速度場(chǎng)，對(duì)重點(diǎn)山區(qū)、縣城、道路進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與安全隱患排查工作。針對(duì)迪慶藏族自治州北部共圈定了4處重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，發(fā)現(xiàn)的重點(diǎn)明顯形變區(qū)域位置包括山脈區(qū)域、溝谷陡坡、巖壁石山等等，持續(xù)地表沉降覆蓋的區(qū)域?qū)Νh(huán)境發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)、建構(gòu)筑物安全、人民生活等方面會(huì)造成影響和損失。大部分山脈區(qū)域的總體概況較為穩(wěn)定，較多的沉降發(fā)生區(qū)域集中在區(qū)域中部和東側(cè)的溝谷密集區(qū)域。

在進(jìn)行時(shí)序分析后，得出各采樣點(diǎn)的形變狀況。山脈區(qū)域的沉降點(diǎn)呈現(xiàn)持續(xù)沉降的趨勢(shì)，坡體、巖壁、泥石流高發(fā)區(qū)域等地區(qū)的沉降點(diǎn)呈現(xiàn)不穩(wěn)定的沉降規(guī)律，需進(jìn)一步針對(duì)重要沉降區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作和研究分析，做好應(yīng)急預(yù)案處理。頻繁的交通路網(wǎng)工程建設(shè)施工、大規(guī)模的基建建造、山區(qū)礦產(chǎn)開發(fā)作業(yè)等都有可能對(duì)地質(zhì)造成一定的影響[11]。為使迪慶藏族自治州北部發(fā)展規(guī)劃與環(huán)境穩(wěn)定得到進(jìn)一步的保護(hù)，進(jìn)一步促進(jìn)山區(qū)環(huán)境改造發(fā)展，對(duì)地表的長(zhǎng)期精密監(jiān)測(cè)是至關(guān)重要的，以此最大限度地減少持續(xù)的地表沉降覆蓋區(qū)域?qū)I(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境發(fā)展、人民生活等方面造成的破壞和損失。

本文在迪慶藏族自治州北部的監(jiān)測(cè)研究中，對(duì)于SBAS技術(shù)的運(yùn)用，在未來(lái)對(duì)于類似地區(qū)研究可以進(jìn)行技術(shù)參考和對(duì)比分析。隨著InSAR技術(shù)的發(fā)展、衛(wèi)星遙感技術(shù)優(yōu)化和我國(guó)在該領(lǐng)域的研究進(jìn)步[12]，使用InSAR技術(shù)對(duì)大范圍區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，反演獲得地表形變速度場(chǎng)，能夠更快速定位區(qū)域發(fā)展環(huán)境限制條件，針對(duì)地表形變分布監(jiān)測(cè)提供具有更高時(shí)效性、精確性、可靠性的地表形變信息。